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Experimentalphysik 5: Kern- und Teilchenphysik (EP-5)7.5 ECTS (englische Bezeichnung: Experimental Physics 5: Nuclear and Particle Physics)
(Prüfungsordnungsmodul: Experimentalphysik 5: Kern- und Teilchenphysik)
Modulverantwortliche/r: Uli Katz, Stefan Funk, Christopher van Eldik Lehrende:
Uli Katz, Stefan Funk, Christopher van Eldik
Startsemester: |
WS 2022/2023 | Dauer: |
1 Semester | Turnus: |
jährlich (WS) |
Präsenzzeit: |
75 Std. | Eigenstudium: |
150 Std. | Sprache: |
Deutsch |
Lehrveranstaltungen:
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Experimentalphysik 5: Kern- und Teilchenphysik
(Vorlesung, 3 SWS, Stefan Funk, Do, 14:00 - 16:00, HE; jede 2. Woche Fr, 14:00 - 16:00, HG)
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Übungen zur Experimentalphysik 5: Kern- und Teilchenphysik
(Übung, 2 SWS, Stefan Funk et al., Do, 8:00 - 10:00, SRTL (307), SR 02.729, SR 00.103; Do, 12:00 - 14:00, SR 00.103, SRLP 0.179; Mi, 16:00 - 18:00, SR 00.732, SR 00.103)
Inhalt:
Natürliche Einheiten, relativistische Kinematik; Überblick: Elementarteilchen und
fundamentale Wechselwirkungen, Konzept der Austausch-Wechselwirkung, Antiteilchen,
Aufbau der Materie (Nukleon -> Kern -> Atom); Feynman-Diagramme, konzeptioneller
Aufbau: Matrix-Element, Propagator, Kopplung, Crossing-Symmetrie, Prozesse höherer
Ordnung; Symmetrien und Erhaltungssätze: (Energie, Impuls, Drehimpuls), C, P, CP, CPT
Wirkungsquerschnitt total/differentiell, Lebensdauer; Wechselwirkung von Teilchen mit
Materie, Abschwächungslänge, Bethe-Bloch, Bremsstrahlung; Grundbegriffe der
Dosimetrie
Bezeichnungen, Nuklidkarte, Entdeckung von Proton und Neutron; Kernmassen: Messung,
atomare Masseneinheit; Bindungsenergien, Tröpfchenmodell (Weizsäcker-Massenformel)
Nukleon-Nukleon-Potenzial, Yukawa-Potenzial; Fermi-Gas-Modell; Schalenmodell
Zerfallsarten (Kategorien: Alpha, Beta, Gamma, Kernspaltung); Aktivität und
Zerfallsketten; Alpha-Zerfall (Potentialtopfbeschreibung, Tunnelwahrscheinlichkeit,
Gamov-Faktor, Lebensdauer); Beta-Zerfall und Elektroneinfang (Fermi-Konstante, Beta-
Spektrum/Curie-Plot (Phasenraumfaktor), Massenparabeln, doppelter Betazerfall:
mit/ohne Neutrinos); Zerfallsreihen; Kernspaltung (spontan/induziert,
Aktivierungsenergie, Wirkungsquerschnitt, Kettenreaktionen, Kernreaktoren); Zerfall
angeregter Kernzustände (Niveauschemata, J und Parität, Multipolstrahlung,
Übergangswahrscheinlichkeit, Isomere)
Kinematik elastischer Streuung, QED-Prozess, Coulomb-Streuung, Rutherford-Querschnitt;
Elektron-Kern-Streuung, Formfaktoren, geometrische Gestalt von Kernen;
Rückstoßkorrektur, Spineffekte, Mott-Querschnitt; Elektron-Nukleon-Streuung
(Rosenbluth-Formel, Formfaktoren, Ladungsdichte in Proton und Neutron); Quasi-
elastische Streuung, Anregungszustände des Protons; Tiefinelastische Streuung,
Strukturfunktionen, Partonverteilungen
Regeln der QCD (Farbladungen, Gluonen, Kopplung (Feynman-Diagramme), starke
Kopplungskonstante); Laufende Kopplungskonstante, Kraft zwischen Farbladungen,
Confinement, Asymptotic Freedom; Starke Wechselwirkung in Teilchenreaktionen
(Erhaltungsgrößen, e+e- -> Hadronen, Quarkonia, Hadronisierung, Jets, Isospin und
Hadron-Multipletts, Clebsch-Gordan-Koeffizienten)
W- und Z-Bosonen (geladene und neutrale Ströme), Propagator; W-Quark-Kopplung,
Cabibbo-Winkel, CKM-Matrix, Z-Kopplungen; Paritätsverletzung (Wu-Experiment),
Chiralität und Helizität; Schwache Prozesse im Experiment: Pion-Zerfall, Myon-Zerfall, K-Zerfall,
Produktion reeller W- und Z-Bosonen, Zahl der leichten Neutrino-Flavours;
Ladungskonjugation, CP-Verletzung (K-System); Neutrinos: Massen und Oszillationen
(direkte Massenmessung, Evidenz für Oszillationen, PMNS-Matrix)
Lernziele und Kompetenzen:
Die Studierenden
erläutern und erklären die experimentellen Grundlagen und die quantitativ-mathematische Beschreibung der Kern- und Teilchenphysik gemäß den detaillierten Themen im Inhaltsverzeichnis
wenden die physikalischen Gesetze und jeweiligen mathematischen Methoden auf konkrete Problemstellungen an
Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan:
- Physik (Bachelor of Science)
(Po-Vers. 2020w | NatFak | Physik (Bachelor of Science) | Gesamtkonto | Experimentalphysik 5: Kern- und Teilchenphysik)
Dieses Modul ist daneben auch in den Studienfächern "Ergänzende Modulstudien Physik (keine Abschlussprüfung angestrebt bzw. möglich)", "Mathematik (Bachelor of Science)", "Physik (1. Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien)", "Physik (Master of Science)", "Physik mit integriertem Doktorandenkolleg (Master of Science)" verwendbar. Details
Studien-/Prüfungsleistungen:
Klausur zur Experimentalphysik 5 (Prüfungsnummer: 61811)
- Prüfungsleistung, Klausur, Dauer (in Minuten): 90, benotet
- Anteil an der Berechnung der Modulnote: 100.0 %
- weitere Erläuterungen:
Freiwillige Zwischenprüfung: Für das vollständige und weitgehend korrekte Vorrechnen von ein bzw. zwei Übungsaufgaben in den Übungen wird ein Notenbonus für die Klausur von einer Notenstufe (0.3 oder 0.4) bzw. zwei Notenstufen (0.6 oder 0.7) vergeben.
- Erstablegung: WS 2022/2023, 1. Wdh.: WS 2022/2023
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